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同济大学3 - 学硕士擘住论文汽车自动变速器( a t ) 换档品质研究 摘要 我国汽车工业近年取得了飞速的发展，配置自动变速器( a t ) 的轿车越来越多，而我国 目前的在自动变速器领域的研究和国外有很大的差距，还没有生产出我国拥有全部知识产权 的自动变速器。对一般的汽车用户来说，他们并不十分关心自动变速器是采用何种控制方式， 自动变速器的换档是否平顺、是否舒适一也就是换档品质，才是他们真正关心的内容，本文 对自动变速器动力传递系统、液压控制系统进行理论分析，并建立相应的仿真模型得到自动 变速器换档品质分析模型，同时建立了自动变速器换档品质评价模型对仿真结果进行分析， 试图提出提高换档品质的控制策略。 论文第一章分析了国内外研究现状，提出了论文的研究内容。第二章提出了可行的自动 变速器换档品质开发方案。第三章对自动变速器动力传递系统进行分析，对行星齿轮系在换 档过渡过程中的动力学和运动学特性进行了详细的分析，并建立了相应的仿真模型。第四章 对自动变速器液压控制系统进行分析，侧重分析了主油道压力调节特性。第五章提出了自动 变速器换档品质评价模型，并用评价模型对分析模型仿真结果进行分析和验证。第六章分析 了换档过程中结合元件油压控制策略和发动机扭矩控制对换档品质的影响。 模型仿真结果与参考曲线体现了良好的一致性，说明换档品质分析模型能比较好的模拟 换档过程中的动力学特性，换档品质评价模型能比较全面的反映换档品质的优劣。 关键词：自动变速器，换档品质，电控单元，控制策略，换档冲击，加速度峰峰值 5 同济大学工学硕士擘位论文汽车自动变速器( a t ) 换档品质研究 a b s t r a c t t h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yo fo u rc o u n t r yh a sd e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s ，w i t hm o r ea n d m o r es a l o o nc a r se q u i p p e dw i t ha u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nb o x , b u tc o m p a r e dw i t hf o r e i g nc o u n t r i e s ， t h er e s e a r c ho fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nb o xi no u rc o u n t r yl a g sb e h i n dl a r g e l y , a n dw eh a v en e v e r p r o d u c e da l la u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nb o xw h i c hh a so u ro w nc o m p l e t ei n t e l l i g e n tp r o p e r t y t ou s u a l c a rd r i v e r s ，t h e yd o n tp a ym u c ha t t e n t i o nt ot h ec o n t r o lm e t h o do fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nb o x , b u t t h e ya t t a c hi m p o r t a n c et ot h ec o z i n e s sa n ds m o o t h n e s so fs h i f t , n a m e l yt h es h i f tq u a l i t yo f a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nb o x t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h e o r e t i ca n a l y s i so fp o w e rt r a n s f e rs y s t e m a n dh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nb o x , b u i l d i n gu pr e l a t e ds i m u l a t i o nm o d e l t og e ta n a l y s i sm o d e lo fs h i f tq u a l i t yo fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nb o xa n db u i l d i n gu pe v a l u a t i o n m o d e lo fs h i f tq u a l i t yo fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nb o xt oa n a l y z et h es i m u l a t i o nr e s u l ta tt h es a m e t i m e ，t r y i n gt op u tf o r w a r dc o n t r o ls t r a t e g yt oi m p r o v es h i f tq u a l i t y t h ef i r s tc h a p t e ro ft h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h er e c e n tr e s e a r c hs i t u a t i o nh o m ea n da b r o a da n d h a sp o i n t e do u tt h er e s e a r c hc o n t e n to ft h i sp a p e r t h es e c o n dc h a p t e rh a sp r e s e n t e dt h ef e a s i b l e r e s e a r c hs c h e m ea b o u ts h i f tq u a l i t yo fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nb o x t h et h i r dc h a p t e rh a sa n a l y z e d t h ep o w e rt r a n s f e rs y s t e mo fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nb o x , c o m p l e t e l ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fd y n a m i c sa n dk i n e m a t i c so fp l a n e t a r yg e a rs y s t e m d u r i n gt h es h i f tt r a n s i t i o np r o c e s sa n d b u i l d i n gu pr e l a t e ds i m u l a t i o nm o d e l t h ef o u r t hc h a p t e rh a sa n a l y z e dt h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m o fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nb o x , e m p h a s i z i n ga m a y z i n gp r e s s u r em o d i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fm a i n o i lc h a n n e l t h ef i f t hc h a p t e rh a sp r e s e n t e dt h ee v a l u a t i o nm o d e lo fs h i f tq u a l i t yo fa u t o m a t i c t r a n s m i s s i o nb o x , a n a l y z i n ga n dv a l i d a t i n gs i m u l a t i o nr e s u l to fa n a l y s i sm o d e lb yu s i n ge v a l u a t i o n m o d e l t h es i x t hc h a p t e rh a sa n a l y z e dt h eo i lp r e s s u r ec o n t r o ls t r a t e g yo fl i n kc o m p o n e n td u r i n g s h i f tp r o c e s sa n dt h ei n f l u e n c eo fs h i f tq u a l i t yb e c a u s e o fe n g i n et o r q u ec o n t r 0 1 m o d e ls i m u l a t i o nr e s u l ta n dr e f e r e n c ec u r v ee m b o d yt h eg o o dc o n s i s t e n c y , s h o w i n gt h a tt h e a n a l y s i sm o d e lo fs h i f tq u a l i t yc a nc o m p a r a t i v e l yw e l ls i m u l a t et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cd u r i n g s h i f tp r o c e s sa n dt h a tt h ee v a l u a t i o nm o d e lo fs h i f tq u a l i t yc a nc o m p a r a t i v e l yc o m p l e t e l yr e f l e c t t h ee x c e l l e n c ea n db a d n e s so fs h i f tq u a l i t y k e y w o r d s ：a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n ，s h i f tq u a l i t y , e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t , c o n t r o la l g o r i t h m s ， v e h i c l ej e r k , p e a kt op e a kv a l u eo f v e h i c l ea c c e l e r a t i o n 6 2 幽 同济大学工学硕士学住论文汽车自动变速器( a t ) 换档品质研究 声明尸明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果，撰写成硕士学位论文“遗奎自动变逵墨( 丛2 逸挡晶厦婴 型”。除论文中已经注明引用的内容外，对文中的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未 加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 2 0 0 4 年3 月7 日 同济大学工学硕士学位论文汽车自动变速器( a t ) 换档品质研究 第一章绪论 第一节自动变速器介绍 目前世界上使用最多的汽车自动变速器主要有3 种类型，一种是液力自动变速器 ( a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o n 简称“a t ，) ，一种是电控机械式自动变速器( a u t o m a t e dm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n 简称“b i t ”) ，另一种是金属带式无级自动变速器( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l e t r a n s m i s s i o n 简称“c v t ”) 。 液力自动变速器的传动部分主要由液力变矩器和多组行星齿轮组成，它仍然分多档，实 际上是能实现局部无级变速的有级变速器，目前它是国外用得最多的自动变速器，在美国采 用液力自动变速器的轿车已达9 0 以上。其优越性是免除了手动变速器繁杂的换档和脚踩离 合器踏板的频繁操作，通过脚踩油门踏板，便可巧妙地实现自动变速，使开车变得简单、省 力。液力自动变速器的电控系统使得自动切换速度柔和、乎稳，所以乘坐与驾驶都感觉很舒 适。采用液力自动变速器无疑提高了轿车的档次，但结构复杂、重量大、制造工艺复杂等也 是它的特点。液力自动变速器是将车速和节气门开度作为电控单元( e c u ) 的输入信号，经电 控单元处理后，再输出给电磁阀，利用电磁阀控制液压回路，通过控制油路的通断使各档 的变速阀动作，从而完成变速控制。原来利用油压完成锁止控制，只能在已确定的档位上完 成锁止，而现在利用电子控制就可以在所有档位上完成锁止，而且还可以平顺地接入锁止离 合器，以减少锁止时的冲击。锁止工作区也是由电控单元的数值来决定的，这样就实现了锁 止的精确控制。液力自动变速器还可以由驾驶员选择约定出适应各种行车状态的换档方式， 比如爬坡及超车时的换档方式、雪地行车的换档方式、一般行车方式。每种方式从1 档到4 档变速范围的控制方式是一样的，都是把各种规范的数值表存入控制组件中，由驾驶员选择。 因而可以确定出适应多种行车状态的变速方式，从而满足了各种状况下对变速性能的不同要 求。以日产汽车公司的全电子控制变速器为例，它采用的控制组件是8 位微机中处理能力较 强的h d 6 3 0 i x o 型微机，以完成锁止、换档规范、油压等的电子控制。在普通的输入、输出 电路中，都设置了蓄电池备份电路、功率管保护电路及输出状态监视电路，由此实现了高水 平的自我修正和自我诊断功能；油压电磁阀实现对油压的电子控制和锁止控制；换档电磁阀 用来实现顺利换档。 电控机械式自动变速器是在原有机械变速器基本结构不变的情况下，通过加装微机控制 的自动操纵机构，取代原来由驾驶员人工完成的离合器分离与接合、摘档与挂档以及发动机 的转速同步调节等操作，最终实现换档过程的操纵自动化。它的主要功能需靠软件来实现， 在电控机械式自动变速器中，微机代替了熟练司机的大脑，多种传感器代替了人的感觉神经， 电液或全电控的执行机械代替了人的手与脚的操作。电控机械式自动变速器由于原有的机械 传动结构基本不变，所以齿轮传动固有的传动效率高、机构紧凑、工作可靠等优点校很好的 继承下来。 金属带无级自动变速器属摩擦式无级变速器，其传动与变速的关键部件是具有v 型槽的 主动锥轮、从动锥轮和金属带，金属带安装在主动锥轮和从动锥轮的v 型槽内。当主动轮旋 7 目井女擘i 学目 擘吐静i 汽车自动连嚣【 t ) 挺括；质研究 转时。通过金属带将主动轮的扭矩传递给从动轮橡胶带是以拉的形式传递扭矩而无级自 动变速器的金属带则是以推的形式传递扭矩。每个v 型轮由一个固定锥盘和一个能沿轴向移 动的可动锥盘组成来自 丧压系统的压力分别作用到主、从锥轮的可动锥盘上- 通过改变作 用到主、从动锥轮可动锥盘上液压力的大小，便可使主、从动锥轮传递扭矩的节圆半径连续 发生变化，从而达到无级改变传动比的目的。作用到主、从动锥轮可动锥盘上液压力大小的 变化是由电灌控制系统控制的，而电 戎控制系统则是依据道路的行驶阻力变化和驾驶员对油 门的位置控制等来进行工作的。例如：当汽车爬坡行驶阻力增加时，若油门不变，根据发动 机外特性发动机转速自动下降，变速器的电液控制系统就会根据行车阻力信号的变化，提 高从动锥轮液压缸的压力，从而使主、从动锥轮和金属带配合的节圆半径向减速的方向移动- 达到自动减速，增加牵引力的目的。若汽车在平坦的公路上行驶，驾驶员需要超车时加大 油门，电液控制系统就会根据信号变化迅速转换速比，使车速提高，而且运行平稳，使驾驶 员的操作大大减化。 第二节论文背景和意义 戎国目前使用的汽车绝大多数仍为手动变速，手动变速汽车由于频繁换挡的操作，易使 驾驶员疲劳影响行驶安全；而不同的驾驶技术水平对车辆的燃料经济性、动力性、乘坐舒 适性等造成极大差异，所咀自动变速是人们长期追求的目标，是车辆向高级阶段发展的重要 标志。 我田最早是在一汽生产的c a 7 7 0 红旗轿车上装备了自动变速器但累计只生产了1 2 8 3 台，尚不具有工业化生产的意义。1 9 9 8 年上薄通用汽车公司( s 叫) 生产的用于别克轿车上的 4 t 6 5 e 电子控制自动变速器( 如图1 1 所示) 正式下线，1 9 9 9 年开始批量生产并投放市场 率先在国内将a t 作为标准配置装于轿车。 图i 一1 通用汽车套司4 t 6 5 e 电子控制自动变速嚣 曼登：三多 同济大学工学硕士学位论文汽车自动变速器( a t ) 换档品质研究 1 9 9 9 年中日合资生产的本田雅阁轿车也正式投产，其a t 为本田技术p a x 型，它弃用行 星齿轮，而选择常啮合平行轴式结构，零件少、易制造是其长处，它采用了全电子直控式变 速装置，能使变速、燃油喷射以及巡航等控制相结合。与此同时，上海大众的帕萨特b 5 、一 汽大众的捷达都市先锋都装备了自动变速器a g 4 - - 9 5 。神龙公司也向市场投放了装备a l 4 智 能型自动变速器的富康9 8 8 领导者和富康1 6 l 轿车，它采用了模糊控制理论和动力传动系 统综合控制技术，实现了智能化控制，电控单元中有1 0 种换挡规律，按需分别调用几种换 挡规律或同时或交替工作，共同控制变速器的状态。一汽大众生产的奥迪a 6 高级轿车上作 为选装件的a t 为t i p t r o n i c 型，在自动变速的基础上可提供手动换档功能。在自动模式下 可直接转到手动操作模式，以此来领略驾车的多种乐趣。北京吉普公司在切诺基越野汽车上 小批量装备了a w 4 自动变速器，现已达到1 0 0 0 多台。由于城市客车频繁起步换挡，变速器、 离合器和制动器的使用频率是一般车辆的1 0 倍左右，劳动强度极大，即使是职业驾驶员也 因受心理和生理所限，迫切要求使用自动变速器。在国外城市客车几乎是1 0 0 装用自动变 速器，我国1 9 9 5 年首次在国产公共汽车上装备了a l l i s o n 自动变速器，遍及深圳、上海、 广州、南京等城市，其中深圳已占有4 0 。 我国汽车工业正处于发展和提高时期，随着技术进步和人民生活水平提高，目前在国内 已经形成年产2 0 0 多万辆轿车的生产能力。随着轿车进入家庭，非职业驾驶员越来越多，他 们对简化操作的要求日益迫切。因此目前我国自动变速器在轿车、城市客车、高级旅游客车、 军用车、重型载货汽车和矿用车上都己呈现越来越旺盛的需求。 面对巨大的市场需求，开展自动变速器领域的研究符合市场经济规律的要求。而我国目 前在自动变速器领域的研究和国外还有很大的差距，还没有生产出我国拥有全部知识产权的 自动变速器。目前在国内生产的轿车装配的自动变速器基本上都属于原装进口或国外厂家提 供技术和生产线在国内生产的，国外厂家在自动变速器方面的技术已经相当成熟。 我国目前在a m t ( 机械式自动变速器) 方面已经有了比较深入的研究，其中以吉林大学 汽车学院为代表。在a t ( 自动变速器) 研究方面，吉林大学汽车学院、北京理工大学车辆工 程学院和同济大学汽车学院基本上代表了国内的研究水平，但都还处于研究的初步阶段，目 前还没有自主知识产权的自动变速器投入市场，和国外的研究相比我们的差距很大。国内的 研究主要集中在自动变速器电控单元的换档规律控制和原理性研究开发，没有实质性、突破 性的进展。国外在自动变速器方面的研究已经有几十年，技术已经很成熟，早在1 9 8 1 年日 本和美国就将微机控制的自动变速系统应用到汽车上，目前国外的研究主要侧重于换档品质 的进一步优化、发动机和自动变速器集中控制以及整车电控单元的集成方面。在1 9 8 3 年德 国的b o s c h 公司成功研制了发动机和自动变速器共用的电子控制单元，电控自动变速器可实 现与发动机最佳匹配，并可获得最佳的经济性、动力性、安全性，达到降低发动机排气污染 的目的。 对一般的汽车用户来说，他们并不十分关心自动变速器是采用何种控制方式，而自动 变速器的换档是否平顺、是否舒适一也就是换档品质的好坏，是他们真正关心的内容。目前 国内在自动变速器( a t ) 换档品质方面的研究没有形成体系，也没有进行专门的研究。从国 内发表的科技文献来看，有研究汽车在某一特定工况下的换档过渡过程分析，但没有得到比 较有价值的研究成果；有对自动变速器行星齿轮机构进行换档过渡过程动力学分析的，也有 9 2 燃 同济大学工学硕士学位论文汽车自动变速器( a t ) 换档品质研究 对自动变速器控制油路进行分析的，但研究自动变速器换档品质必须将电控单元控制策略、 换档控制油路和机械传动机构进行综合考虑，单一孤立的研究自动变速器的某一部分很难形 成系统的、有实际指导价值的成果。本文将自动变速器的控制策略、整车动力学模型、换档 控制油路模型和行星齿轮传动模型结合起来分析自动变速器的换档品质，采用国外普遍认同 的换档品质分析方法来评价换档品质的优劣。换档品质较优的控制策略往往都需要进行大量 的试车实验和软件仿真，通过模型仿真得到换档品质较优的控制策略，将控制策略实现到电 控单元中进行试车实验验证或修正，再将试车实验结果进行分析提出改进换档品质的控制策 略，如此进行多轮的分析、仿真和试车得到换档品质更好的控制策略。本文建立的换档品质 分析模型能减少试车实验的盲目性，对试车实验难以实现的特殊工况和复杂工况能通过模型 仿真得到较好的控制策略，能对控制策略的提出进行指导和理论依据，节约开发经费，缩短 产品开发周期。 第三节国内外研究现状 国内各研究机构一直将a m t ( 机械式自动变速器) 作为研究的重点，我国的a m y 研制工 作起步较晚，“九五”期间a m t 的开发研制和产品化被列人国家“九五”科技攻关项目，目 前己开展这方面研究的有上海交通大学、吉林工业大学、北京理工大学、重庆医疗机械工业 公司等。鉴于a m t 发展的趋势，我国的研究超越了半自动变速器的阶段，直接进行全自动a m t 的研制。吉林大学研究的两参数最佳换档规律、动态三参数换档规律、离合器最佳接合规律、 换档和起步规律、最佳同步换档控制、动态闭环换档控制、离合器模糊起步控制等都处于世 界先进水平。1 9 9 8 年8 月吉林工业大学自主开发研制的桑塔纳2 0 0 0 型a 耵样车通过了由原 国家科委、原机械工业部、上海交通大学、清华大学和上汽集团组成的鉴定委员会的鉴定， 与会专家一致认为该研究成果达到了国际先进水平，这标志着我国a m t 技术的发展已进入到 产品化阶段，图i - 2 是我国自行开发的a m t 电控原理图，但仍有一些需要完善的方面，如可 靠性、换档品质、执行机构优化和起步控制等方面。 由于a t ( 液力自动变速器) 相比a m y 而言制造难度比较大，国内的制造技术和工艺很难 达到相应的要求，所以在a t ( 液力自动变速器) 方面国内没有开展深入的研究，从目前公开 发表的参考文献看，一般原理性的开发、功能介绍和维修方面的论文比较多，没有太多有价 值的研究成果。 液力自动变速器已走过了6 0 多年的历史，技术已经相当成熟，近几年国外一些大汽车 公司将模糊控制理论运用于自动变速器，以汽车车速和发动机负荷作为模糊控制器的基本输 入参量，以抑制换档时产生的动载作为输出参量，兼顾发动机油耗、排放、路况等因素，对 自动变速器的换档时机进行控制。但也应看到，经过不断地完善，功能与潜力的开发已接近 了极限，其长期存在的不足如：起动速度慢、工作效率低、油耗大等，很难取得突破性的改 进，因此国外一直未停止对液力自动变速器替代品的研制与开发。 1 0 同济大学工学硕士学位论文汽车自动变速器( a t ) 换档品质研究 下遣馋生8 零 巾蝴j 盘转逮1 擘堪器 发动机转速传姣嚣 龃橙 = 癌嚣 加速踏饭纷拣嚣 节气fi 并i 芏l l 蟛器 舟含罄垃置f 车悠甜 嚏版乐绕件，) 促啮器 转向黜转自= | 呜瞪母 摄制l nj 戈一 拯觚2 f 、开英一 空指并盖 私位饽感器 停车开关一 附f i 扦戈一 巡赋蕴制升爻一 剐动开咒 j 删凛瞎拯吓疋一 节t j 开艾一 选掩开凳 开 蓝 最 输 入 电 路 且带 ! 愿a 盗堆 l 庠瓣 ，少进咆讥 1 竺垫堂堂 臂通徊齐违 电鹾同 蝇功电路 般餐举 动电路 图1 - 2a m t 电控系统e c u 结构原理图 第四节课题任务和关键技术 节c ，1 变速器 选换扎缸 扁会器 进出油缸 - s 卉i 示器 起动器 鬻电嚣 声音圣，光 如前所述我国在自动变速器( a t ) 换档品质方面没有开展深入的研究，国内有关a t 换 档品质方面公开发表的论文基本上都没有提出比较系统的分析换档品质的模型，也没进行系 统综合的分析。国外公开发表的相关论文有很多值得借鉴的理论和方法，但出于技术保密的 原因，关于换档品质系统、全面的分析很少。本文试就自动变速器换档品质的分析和评价提 出相应的模型，通过对模型的仿真试图得到提高换档品质的控制策略和一般性的结论。 本论文依托上海汽车工业总公司教育基金会和上海汽车齿轮厂科研项目“上海大众自动 变速器a g 4 电控单元开发与研究”，论文主要研究对象是大众自动变速器a g 4 9 5 型。 本论文的研究旨在得到自动变速器换档品质分析、改进的模型和方法，为自动变速器换 档品质的改进减少盲目性、增大可预测性。首先应该有一个精确描述换档过渡过程动态过程 的模型，再建立可量化的目标模型，在此基础上进行不断的分析优化得到最佳的控制策略来 达到换档品质的要求。自动变速器要具有好的换档品质必须是电子控制单元( e c u ) 、液压操 纵系统、变速箱换档结合装置和整车运行状态协调配合的结果，所以首先要建立以下几个模 块的仿真模型： 液压操纵系统模型 油泵模型：提供液压操纵系统工作的油压； 夺 换档电磁阀模型：根据电控单元的控制指令换档电磁阀做出相应的开关动作： p 删电磁阀模型：通过p 删电磁阀的占空比控制主油道压力； 主压力调节油路模型：主压力调节系统由电液比例阀、调压阀和主压力阀组成； 变速箱换档结合模型 令 行星齿轮机构动力学模型：换档过程中离合器和制动器的分离或结合将导致动 力传递路径的改变； 整车动力学模型 黧 娃一 l _ 彦 馈也一 一量，岫 啦换一 一刚巾鼬 冲雀一 一鼢 龇 一 一胁 2 幽 同济大学工学硕士学位论文汽车自动变速器( a t ) 换档品质研究 发动机与液力变矩器匹配工作模型：得到发动机与液力变矩器共同工作的输出 特性； 整车驱动力一行驶阻力模型：汽车纵向行驶动力学特性： 对上述各模型进行验证后将各模型通过接口连接形成自动变速器换档品质分析模型，采 用国际上普遍认可的换档品质评价模型进行换档品质优劣的评价。对汽车行驶的各种工况在 模型上进行系统仿真，得到换档品质较好的控制策略。 汽车在自动变速过程中出现纵向抖动和换档时间过长是常见的换档品质缺陷。出现换档 过程中纵向抖动的原因一般是油压过大、换档执行部件动作不协调，如果油压过低，则会引 起换档时间过长和功率损失加大。汽车的实际运行工况十分复杂，在不同工况下选择合适的 油压和换档部件动作时序是提高换档品质的关键，直接与液压操纵系统模型和变速箱换档结 合模型的精确性相关。自动变速器动力传递系统中含有很多非线形模型，非线形模型建模的 精确度直接影响到整个模型的准确性和可预测性，液压系统的建模尤其困难。 第五节本文的研究工作 本文内容安排如下： 第二章本章讨论针对我国目前自动变速器的发展水平，探讨我国开发自动变速器的思 路和技术路线，主要侧重研究提高自动变速器换档品质的开发方法。 第三章分析换档过渡过程中自动变速器离合器和制动器动动力学和运动学特性，建立 发动机和液力变矩器共同工作特性模型和整车纵向动力学模型。 第四章分析自动变速器液压操纵系统控制特性，并建立液压操纵系统各模块模型。 第五章对各子模型进行必要的验证并通过接口连接形成换档品质分析模型，建立换档 品质评价模型。 第六章通过系统仿真得到提高换档品质的控制策略和一般性的方法，对有关提高换档 品质的技术进行总结分析。 1 2 2 必 同济大学工学硕士学位论文汽车自动变速器( a t ) 换档品质研究 第二章提高自动变速器换档品质开发方案 我国目前在自动变速器的开发方面还处于起步阶段，近几年我国汽车工业取得了飞速的 发展，在发展的同时我们也应看到在形成自主知识产权产品方面，我们与国外汽车厂家还有 相当大的差距。自动变速器是一个很复杂的系统，涉及到多个学科，对机械、液压和电子都 有很高的要求，要开发出一个具有好的换档品质的自动变速器，需要对机械、液压和电子控 制进行全面、系统的了解。自主开发的历程很艰难，本章主要侧重提高自动变速器换档品质 方面，试图提出自动变速器开发的大致方案。 第一节可行性分析 近几年自动变速器在我国很多中高档轿车上得到广泛的应用，随着我国的汽车工业的不 断发展和人们对汽车操纵性能要求的提高，自动变速器将会成为轿车的基本配置。面对巨大 的市场需求，开展自动变速器领域的研究符合市场经济规律的要求。而我国目前的在自动变 速器领域的研究和国外有很大的差距，还没有生产出我国拥有全部知识产权的自动变速器。 国外自动变速器已经成为轿车的普通配置，国外汽车生产厂家在自动变速器方面的研究 已经相当成熟；而我国在自动变速器的研究方面也基本上都是处于低水平重复研究，一直未 能取得技术上的关键突破。我国轿车市场前景广阔，自动变速器将会逐步取代机械手动变速 器成为轿车的基本配置，面对w t o 的加入中国汽车业必须开发出自己的自动变速器。 自动变速器开发涉及到多学科多领域的研究，开发出成熟的自动变速器需要不断深入研 究，国内也有不少高校研究所在从事自动变速器的研究，但其开发水平基本上都还处于初级 阶段。 自动变速器开发包括机械、电子和液压三个主要方面，a 6 4 整个行星齿轮传动机构布局 极为紧凑要求很高的机械加工水平，自动变速器的机械传动部分基本上终身免修，需要很好 的材料和疲劳寿命设计，我国目前的机械加工水平和材料性能限制了机械部分的设计和制 造，但这个问题也不是很难解决，可通过进口国外的先进生产加工设备或采用合资的方式来 提高机械加工和工艺水平。 电子方面相对比较容易，目前市场上一般的8 位、1 6 位单片机芯片都能满足自动变速器 电控单元的要求，课题组曾对大众a g 4 - - 8 9 型自动变速器控制单元进行过分析，整个控制电 路原理上就是单片机最小系统的扩展，进行单片机开发国内技术比较成熟。a g 4 电路板的集 成度也只有四层，国内一般的印刷电路制作厂家都能进行电控单元印刷电路的制作。汽车电 子产品关键的一个性能指标是可靠性，这方面需要进行大量的试验和分析来提高产品的抗电 磁干扰能力、在恶劣环境下可靠工作的能力等。 液压方面相对是最难的一块，由于自动变速器的换档操纵是通过液压系统来实现，油路 比较复杂，通过对a g 4 液压系统的分解，会发现液压系统的设计真是巧夺天工，设计的相当 紧凑和精致，不仅是对我国机械加工工艺水平的挑战，也是对液压设计能力的挑战。液压系 统的特性很难准确的把握，汽车的实际运行过程比较复杂，液压系统的控制策略需要通过大 量的软件仿真、半实物仿真和试车试验。 1 3 同济大学工学硕士学位论文汽车自动变速器( a t ) 换档品质研究 随着我国机械工业的发展和汽车零部件国产化水平的提高，自动变速器机械部分的设计 制造将不会是一个很大的难题。由于目前电子产品性能一日千里，市场上一般的电子芯片都 能满足自动变速器电子控制的要求，对我国开发自己的自动变速器来说是比较容易解决的问 题，我国家电行业的异军突起就是一个很好的印证。自动变速器的换档品质与液压系统的控 制策略直接相关，液压系统的控制策略可以认为是自动变速器研究方面的关键技术，因此我 们构想建立自动变速器换档品质试验台来深入研究换档品质。 1 概述 第二节a g 4 自动变速器介绍 目前世界各国主要汽车生产厂家正致力于开发更高性能的自动变速器。大众a g 4 自动变 速器由于其功率密度较大而成为同级别自动变速器中最紧凑的形式。大众a g 4 自动变速器的 技术参数如表2 1 所示，其中主减速器传动比可变，可适应和满足各种车辆行驶要求。 横置纵置 重量( 充油后) 6 9 k g7 3 k g 长度3 9 7 a z a4 1 5 m m 变速器油约5 5 l约5 5 l 充油量 主减速器油 0 7 5 l1 0 0 l 传递的最大扭矩 2 5 0 n 2 6 0 n m 传动比范围 4 14 1 一档2 7 l 2 7 l 二档1 5 5 1 5 5 传动比 三档1 1 四档0 6 8o 6 8 2 机械传动系统 表2 - 1a g 4 自动变速器技术参数 a g 4 变速器机械传动简图如图2 - 1 所示。液力变矩器为三元件单级综合式液力变矩器， a g 4 自动变速器采用拉维莱尔赫( r a v i g n e a u x ) 氏双行星排，结构简单，独立构件和结合元件 数少。有六个结合元件：两个制动器b l 、b 2 ，三个离合器c l 、c 2 和c 3 ，以及一个自由轮f 。 通过结合元件的不同组合可实现四个前进档和一个倒档。表2 2 给出了各杆位下的档位情况 和各档位下结合元件的结合情况。 1 4 同济大学工学硕士学位论文汽车自动变速器( a t ) 换档品质研究 图2 - 1a g 4 变速器初诫传动简图 膏鸯嚣状鸯 _ 动嚣捷毒 自由艳 枰位幡位 c 1c 2 k 3b 1b 2p pp 、 r斑 - nn 1 h 1 2 h| 3 h o 3 m 3 王t m j r ，| 1 32 3 1 2 暑+ 11 j 表2 - 2 各杆住下的档位情况和各档住下结合元件的结合情况 3 液压操纵系统 a g 4 自动变速器电液操纵系统主要由经铝压铸而成的液压操纵阀体、两块o 7 m m 厚的钢 制垫片、铸铝端差等组成，安装在铸铝变速器壳体的迷宫式端面上。液压操纵阀体尺寸很小， 体积仅为l d m 2 。重量只有2 1 k g ，结构非常紧凑，其上安装了1 6 个滑阀，5 个球阀和7 个电 磁阀。图2 - 2 为液压操纵系统油路图。 图2 - 2 液压操纵系统油路图 同济大学工学硕士学位论文汽车自动变速器( a t ) 换档品质研究 a g 4 液压操纵系统油路比较复杂，我们拟利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件对液压系统进 行精确建模，再结合自动变速器数字模拟混合仿真试验台和自动变速器车载分析试验台，对 油路系统进行软件、半实物和实车试验的全方位分析，以期准确分析换档品质。 4 电子控制系统 a g 4 自动变速器电子控制系统由输入传感器和开关、控制器以及输出执行元件三部分组 成：如图2 - 3 为其基本组成简图。 车速传感器 节气门电位记 发动机转速传感器 油温传感器 多功能开关信号 低速档开关 制动灯开关 经济运动选择按钮 电磁阀信号 选档杆锁止信号 启动电机及倒车信号 发动机电控单元 巡航控制系统 故障诊断系统 换档模式信号灯 图2 - 3 电子控制系统基本组成简图 控制器由微处理机和接口电路等组成。它的主要元件是时钟频率为8 删z 的8 位微处理 机( c p u ) 。其他元件还有一个3 2 k 字节的r o m ，一个5 1 2 字节的e 2 p r o m ，一个5 1 2 字节的r a m 。 一个1 6 位时钟系统，8 个模拟量入口和一个监视器。控制器接受来自各种传感器和开关的信 号并进行处理，按控制器软件所设定的控制程序，向各执行元件发出指令，以实现换档点控 制、换档过渡过程控制、巡航控制、与发动机控制器互通信息、自诊断功能等控制功能等。 a g 4 有经济型和运动型两种换档模式可供选用，并具有强制换低档功能，以满足用户的不同 要求。变速器控制器和发动机控制器配合工作，可以在换档时借助于点火延迟( 最大3 0 0 曲轴 转角) 在0 2 到0 4 s 内将发动机扭矩降低5 0 ，以减轻摩擦片载荷，提高其寿命。控制器本 身还存在自诊断功能，可分类存储故障信息，并通过诊断导线输至显示装置，便于维护修理。 电子控制部分相对比较容易解决，通过实车信号标定和自动变速器数字模拟混合仿真试 验台可对电子控制部分有比较深入的认识。分析电控单元特性后，将着手自开发电控单元工 作。 第三节自动变速器换档品质试验台方案 自动变速器换档品质试验台是自动变速器电控单元开发的基础平台，通过试验台可进行 电控单元信号分析、多工况系统仿真、分析评价换档规律和控制策略、电控单元性能检测、 试车试验信号采集分析等。自动变速器换档品质试验台分为两个部分： 自动变速器数字模拟混合仿真试验台； 自动变速器车载分析试验台： 自动变速器数字模拟混合仿真试验台采用硬件在回路( h a r d w a r e i n - l o o p ) 技术建立， 1 6 同济大学工学硕士学位论文汽车自动变速器( a t ) 换档品质研究 主要包括电控单元外围信号处理电路、工控机信号采集分析系统、液压油路驱动信号采集系 统和信号实时显示部分，该试验台可模拟自动变速器电子、液压和与此对应的车辆行驶状态， 可比较全面的对电控单元进行信号分析、多工况系统仿真、分析评价换档规律和控制策略、 电控单元性能检测等。开发阶段主要工作依次为： 进行自动变速器电控单元原理分析； 对自动变速器输入输出电路进行分析； 对电控单元输入输出信号进行实车试验标定； 制作自动变速器输入输出接口电路； 对自动变速器液压系统进行分析、测绘； 制作液压系统相应的信号接口电路； 软件实现车辆模型、输入输出信号接口及控制程序； 组合调试自动变速器仿真试验台； 测试分析电控单元换档规律、控制策略和油压调节规律； 如图2 4 所示为自动变速器数字模拟混合仿真试验台阶段项目流程图。如图2 - 5 所示为 自动变速器数字模拟混合仿真试验台仿真程序界面。 图2 - 4 自动变速器换档品质实验台阶段项目流程图 自动变速器车载分析试验台对自开发电控单元进行实车试验分析，对得到的试验结果进 行相应的分析，发现电控单元性能不够完善之处，通过分析从而提出较好的控制策略。主要 包括自动变速器电控单元信号接口电路、数据采集分析程序、数据处理程序，可通过采集静 数据发现电控单元功能性方面、换档规律方面、换档品质方面的缺陷，再通过对数据的分折 处理提出改进方案。可以这么认为，开发出性能较好的电控单元实车试验数据采集分析是必 不可少的。该阶段主要工作有： 电控单元信号接口电路制作； 数据采集分析程序； 数据处理程序； r 舟女学i 章学n z 汽 自动盘速嚣f 盯) # # s 质研究 圈2 - 5 自动变速器数字模拟混合仿真试验台仿真程序界面 第四节自动变速器电控单元整体解决方案 自动变速罂换档品质试验台提供了我们开埕电控苴元所必需的基础平台和硬件条件但 仅仅是一种下具。自动变速器开拉涉及的面很广三包括机械、电子和液压等多颈域，亓发 出理想的电控单元需要对咀控单元电子、液压和机械系统有全面系统的丁解。扮面我们对自 动变速器的各个系统进行了相麻的分忻井提出丁再部分相应的开发思路。 自动变速器开发中关键的都分是液压系统，借助自动变速器数字模拟混合仿真试验台可 得到油路中电磁间的某些特性、油路静态特性但还是不能全面的仿真油路系统在汽车行驶 过程中的动态特性，因此有必要借助于软件仿真。对液压系统仿真采用目前国外j _ 泛使用的 液压系统仿真软什国外著名的汽车公司如通用、丰田等均采用软件对自动变速器液压系统 进行仿真，从他们仿真得到结果与试验结果的对比看，体现了良好的一致性。如图2 - 6 所示 为自动变速器开发整体解捷方案框图。 首先对电控单元输入输出信号特性进行试验分析，包括信号定义、信号特性和信号标定 等在此基础上可着手制作自动变速器数字模拟混舍仿真试转台信号处理接口电路、自动变 速器车载测试台外围电路和自开麓电控单元电路殴计接r 米对数字模拟混合仿真试验台和 车载试验台进行软什设计调试，在数字模拟混台仿真试验台上对汽车运行善工况进行半实物 仿真，分析试验结果得到电控单元换档规律和控制策略：与此同时对自动变速器液压系统进 行测绘、分析，建立油路系统仿真模型，对自动变速器机械传动部分进行换挡过渡过程运动 学和动力学分析，并建立机械部分动力学模型，缩台发动机模型、液力变矩器模型和整车动 力学模型得到自动变速器换档品质分析评价仿真模型芷该模型上进行整车多r 况仿真得 到电控单元换档控制策略和油压控制策略：将从半实物仿真试验台上得到的结果与软件仿真 结果进行分析，将换档规律、控制策略和油压控制规律通过单片机程序堤计实现到自开拉电 控单元中，得剑第一轮开发的电控单元：将自开麓电控单元进行实车试验通过车戴测试台 同济大学工学硕士学位论文汽车自动变速器( a t ) 换档品质研究 采集实车试验数据，对实车试验数据进行分析发现自开发电控单元性能缺陷，并提出优化后 的换档规律、控制策略和油压控制策略，结合数字模拟混合仿真试验台和换档品质分析品价 仿真模型对优化的策略进行分析验证，将最终控制策略实现到第二轮开发的电控单元中；如 此进行多轮开发，得到最终性能较好的电控单元。 上上1 图2 - 6 自动变速器开发整体解决方案框图 1 9 同济大学工学硕士学位论文汽车自动变速器( a t ) 换档品质研究 第五节本章小结 本方案采用软件、半实物仿真和实车试验多手段相结合的开发思路，可比较全面的仿真 再现自动变速器各系统特性。通过软件仿真可模拟实际试验中很难得到